科學、電影與科幻材料
科學靈感和創造力有很多來源。在工程學（尤其是材料科學）的本科教育中，作為一名老教授，我總是努力採取任何必要的手段來激發學生的興趣。我發現從電影中舉例能有效地吸引學生們的注意力。
例如（溫馨提示：以下內容存在劇透，請未看過電影的讀者謹慎閱讀）：
• 阿諾·施瓦辛格的T-800終結者是由鈦合金製成的，在《終結者2：審判日》（1991）的末尾真的能在鋼水中熔化嗎？（註釋1）
• 《暮光之城》（2008）中吸血鬼愛德華·卡倫的前臂需要有多強才能抵抗一輛廂式貨車的衝擊，拯救伊莎貝拉·斯旺？（註釋2）
這些都是很好的討論點，通常需要用到一些“工程學”方程和數學來得到一些粗略的數字。重點是要讓學生“注意到”世界上的科學和工程學概念，無論是現實世界還是虛構世界中。
然而，舉例的時候要小心，因為虛構世界造物的靈活性導致電影中存在許多“低劣”的科學。例如，普遍使用的“unobtanium”——一種具有理想特性的虛構的稀有材料，在《阿凡達》（2009）中用於推動情節發展，在《地心浩劫》（2003）中則被官方吐槽。（註釋3）
通常，科幻故事需要一些“未來的”科學元素，例如比光速還快的飛船（如《星球大戰》中的“千年隼號”），近乎無限的能量源（例如《星際迷航》中的雙鋰水晶），當然還有高性能的材料（如《權力的遊戲》中的瓦雷利亞鋼）。在虛構世界中，類似的造物數不勝數——尤其是如果你需要可以扭轉乾坤的材料。
在最近（且不斷擴張的）漫威電影宇宙（MCU）中，這樣的例子不勝枚舉…
超級英雄需要超級材料
特殊材料在超級英雄故事中扮演著獨特的角色，特別是當需要材料具有極高的強度、韌性和彈性，即極端力學性質時。
漫友們可能會想到金剛狼的艾德曼合金爪，或者是美國隊長的振金盾（毫無疑問來自瓦坎達）。艾德曼合金（adamantium）的最典型的性質是堅不可摧。而振金（vibranium）因為還能吸收聲波和動能，比艾德曼合金更強。這些特性在對抗超級惡棍時極其有用，但實際上很難生產。
在觀看《復仇者聯盟》（2012）時，我第一次聽說宇宙魔方（Tesseract）。在影片中，邪神洛基手持宇宙魔方——強力的未知能量源——引領齊塔瑞大軍征服地球（幸運的是，復仇者們聯合起來，並阻止了這種背叛行為！）
在後續的MCU電影中，人們發現原來宇宙魔方是空間寶石（Space Stone）的結晶立方形載體，空間寶石是六顆無限寶石之一。為了控制無限寶石的力量，宇宙魔方本身必須由極堅固的材料構成！
在即將上映的《復仇者聯盟3：無限戰爭》中，大反派滅霸要蒐集所有的無限寶石，把它們戴在無限手套上，一旦他成功，他將能按照自己的意志扭曲現實。在最近發佈的預告片中，滅霸單手毫不費力地將宇宙魔方粉碎。
顯然，滅霸的力量強到令人髮指。
作為一個有些書呆子氣的人（在工程學教授中很常見），我也知道宇宙魔方實際上是一種幾何形狀，它是立方體的四維類似物；宇宙魔方和立方體的關係，正如立方體和正方形一樣。這種多面體的另一個名字是超立方體（hypercube）。在我們的三維世界中，是難以想象這些四維幾何的，不過超立方體通常被描繪成立方體中包含立方體的結構（如上圖所示）。
我自己的研究重點是新興納米材料——如石墨烯和碳納米管（CNTs）的力學特性。通過模擬，我可以（嘗試）構建目前不存在的材料（只要其化學從建模的角度來看是可行的）。來自電影的靈感僅需等待那個重要的“尤里卡”時刻。
看著滅霸摧毀了以前堅不可摧的材料，結合我在高強度碳材料方面的經驗和超立方體的幾何性狀……一個想法突然蹦出來了。
在現有框架裡思考
好，這是一個全碳超立方體。讓我們在分子尺度上把這個東西拼在一起。
內部立方體是基於一種被稱為立方烷的有趣分子。立方烷是一個簡單的在頂點有八個碳原子的小立方體。因為碳原子通常不喜歡以90度角鍵合，所以它是相對高能量的分子，但它可以合成得到，通常是C8H8。由於其獨特的幾何形狀，它是一個相對“酷冷”的分子。那麼現在我們如何構造外部立方體結構呢？
我以前曾研究過碳炔或線性碳。本質上，雖然碳原子通常更傾向於四平衡鍵（如金剛石、甚至立方烷），但它們還有其他選擇：單、雙、甚至三鍵、以及芳香族化合物中的芳香鍵。不同的鍵混雜使得碳成為可用於開發各種材料的有趣元素之一。說回到碳炔，如果你將碳原子排成線形，它們會交替形成單鍵和三鍵。這滿足了對碳鍵的要求，並得到了線性結構。無限地延長這個結構，你會得到碳炔（我們在實踐中能否合成大量的碳炔仍然是一個有爭議的問題）。
因此，我使用兩碳碳炔基將內部立方烷通過對角線連接到外部頂點，然後通過更大的四碳碳炔基連接外部立方體的頂點，並形成邊緣。
嘿 ——一個全碳超立方體誕生了！
在我最初模擬這個結構時，我確保所有的鍵角都是90度。然而，那並不是我最終獲得的結構。
上文提到，碳原子不喜歡以90度連接。在四面體結構的金剛石中，碳原子之間的鍵角約為110度。對於立方烷，分子鍵合緊密，碳原子在正交排列中是剛性的。然而，碳炔邊緣較靈活，它們可以輕微彎曲。因此，當結構鬆弛時，每個頂點的角度稍微偏離90度。最終的結構是一個邊緣稍微彎曲的超立方體。
由於碳炔鏈，我將這個結構稱為超立方炔，我認為這是第一個被提出來的全碳超立方體分子。
建模
超立方炔的分子模型一被構建出來，我就對它的一些物理穩定性和機械強度進行了模擬評估。這些模擬基於可有效跟蹤原子間的成鍵、能量和運動的全原子分子動力學。這沒問題。（注4）
穩定性可以用原子能量來判斷，高能狀態是不好的，結構很可能是不穩定的。結果表明，超立方炔處於相對高能的狀態（與較常見的碳材料如金剛石或石墨相比）。高能量是由於其立體幾何所要求的鍵角。
穩定性問題可能可以靠MCU宇宙中的空間寶石緩解，因為扭曲的結構所導致的相對大的原子能在更高的維度中可以得到釋放。我們地球上的技術是有限的。接著，為了計算強度，我進行了簡單的壓縮測試。正如在混凝土壓縮測試中一樣，分子被擠壓直到觀察到最大的力。分子的作用力和位移被記錄和繪製下來（如下圖所示）。
力量最大達到10.6 nN。
這大約是一粒沙子重量的萬分之一。
這根本不算是什麼力量。
果真如此？
滅霸的力量
讓我們假設納米組件的強度可以在宏觀尺度上表達，畢竟宇宙魔方的創造者可以訪問多維實驗室，而且方法不少。因此，我們假設宇宙魔方是由超立方炔層層組裝而成，且強度沒有任何損失。最終的強度很容易計算出來。如果每一個超立方炔都有一面表面積約為64平方埃，並且宇宙魔方（基於圖片和電影場景）相當於一個6英寸立方體（每邊15釐米），那麼壓碎它所需的總力大約為42000噸！這（大概）是滅霸粉碎宇宙魔方所需的力量。
男性平均握力保守地近似為50公斤。因此，粉碎宇宙魔方所需的力量比整個波士頓（673184）人口的握力全部加起來還要多。滅霸的握力比普通人大750000倍！
舉重專家估計，一名普通男性在沒有訓練的情況下可以舉起大約155磅的重量。如果按比例推算，那就意味著滅霸能舉起約1.2億磅，相當於泰坦尼克號（52310噸）的重量。
假定說（保守地）託尼·史塔克（鋼鐵俠）是一名強壯的男性，平均握力超過200公斤（平均水平的四倍）。他的戰衣只能使他的力量提高85倍，這樣總握力僅17000公斤。需要超過二千（！）件馬克46戰衣（Mark 46 Iron Man suits）齊發力才能粉碎宇宙魔方。我的天呀！
最後我們需要注意的是，這只是滅霸的一點點力量，因為摧毀宇宙魔方對他來說輕而易舉。
對現實世界的啟示
顯然，預測滅霸的力量只為娛樂一下。作為一個思想實驗，它以一種輕鬆的方式說明了新型高端納米材料的理論強度的限制。然而，所採用的方法是嚴謹且科學合理的。我們能從這些奇異的材料中學到什麼？首先，高能原子指示了熱行為和力學行為的潛在不穩定位點。這有可能對開發新材料體系起到一定指導作用。
也許在不久的將來，我們將能夠解鎖類似的方法，將虛構變成現實；科幻的材料將引領我們找到自己的“漫威”材料。在此之前，當你看漫畫的時候，你可以說你只是在做全面的文獻綜述…
註釋：
1、鋼的熔點約為1400°C，而鈦的熔點約為1700°C。當然，這取決於具體的合金，這是課堂上的討論點。
2、粗略地估算愛德華的前臂長度、質量和廂式貨車的速度，得到吸血鬼的力量最少在1 GPa左右。在已知材料中，強度至少能達到這一水平的一個潛在候選物是鑽石——這還能解釋為什麼吸血鬼在陽光下閃閃發光！
3、《地心浩劫》通常被認為是有史以來最不科學的電影之一。尋找電影裡面不科學的點很有意思（可以谷歌一下“電影中的低劣科學”，你能找到大量的文章和例子）。
4、模擬採用的是開源分子動力學（MD）軟件包LAMMPS（http://lammps.sandia. gov/）。使用了ReaxFF力場，以便儘可能準確地模擬碳幾何結構（參見Chenoweth et al., ReaxFF Reactive Force Field for Molecular Dynamics Simulations of Hydrocarbon Oxidation. The Journal of Physical Chemistry A, 2008. 112(5): p. 1040-1053）。使用了標準最小化和近似技術。有關完整的模擬細節，請聯繫[email protected]。
閱讀更多 科學俠 的文章
